Los investigadores de MIPT han examinado el comportamiento de las partículas de Weyl atrapadas en la superficie de los semimetales de Weyl. Su estudio fue publicado en la prestigiosa sección de Comunicaciones Rápidas de Revisión física B .

La partícula de Weyl, o el fermión de Weyl, para usar un término más preciso, fue predicho a principios del siglo XX por Hermann Weyl, un físico alemán. A pesar de su predicción temprana y tremendos esfuerzos dirigidos hacia la búsqueda de la partícula ilusoria de Weyl, solo se descubrió experimentalmente en 2015. Contrariamente a las expectativas, el Weyl no fue observado en un colisionador gigante, pero en diminutos cristales, que llegó a conocerse como semimetales de Weyl. Desde entonces, estos materiales han atraído mucha atención, haciendo de esta área de investigación una de las más candentes de la física moderna.

Los semimetales de Weyl pueden considerarse un equivalente tridimensional del grafeno, el cristal 2-D con propiedades únicas descubierto por los graduados del MIPT Andre Geim y Konstantin Novoselov, que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2010. Los electrones en el grafeno y los semimetales de Weyl se comportan como partículas sin masa similares a los fotones. Sin embargo, a diferencia de los fotones, estas partículas tienen carga eléctrica, haciéndolos prometedores para aplicaciones en electrónica. Como resulta, las extrañas propiedades de los electrones en este tipo de materiales pueden describirse en términos de la teoría de campos topológicos. El Premio Nobel de Física de 2016 se otorgó a los científicos que introdujeron conceptos topológicos en la física de estados condensada.

En un estudio teórico supervisado por el profesor Vladimir Volkov del MIPT, Zhanna Devizorova, un doctorado estudiante en MIPT, examinó los estados de superficie de los fermiones de Weyl, es decir., cómo se comportan los electrones cerca de la superficie de un cristal semimetálico de Weyl. Los estados especiales de los electrones cerca de la superficie de un cristal, conocidos como estados de superficie electrónicos, fueron pronosticados en la década de 1930 por los futuros ganadores del Premio Nobel Igor Tamm (URSS) y William Shockley (EE. UU.), quien propuso y estudió los primeros modelos teóricos de estos estados. Sin embargo, No fue hasta hace poco que los estados de la superficie llamaron la atención de los investigadores. La importancia práctica de este campo de investigación se evidencia por el hecho de que la microelectrónica moderna que utiliza silicio se basa universalmente en canales conductores cercanos a la superficie. Sin embargo, el silicio en sí no es un material topológico.

El comportamiento de cualquier partícula bajo un campo externo está determinado por la ley de dispersión que relaciona la energía de la partícula con su momento. Según la ley de dispersión, el espectro de energía de los electrones en un cristal define propiedades electrónicas como la conductividad. El espectro de energía global de los electrones en un semimetal de Weyl se describe mediante un conjunto que consta de un número par de conos de Weyl, o valles, centrado en puntos especiales en el espacio de impulso.

La superficie de tal cristal tiene propiedades notables. Los semimetales de Weyl se distinguen por el espectro energético característico de las partículas que pueblan sus estados superficiales. En estos espectros exóticos, las curvas que representan estados con igual energía no son cerradas y aparecen como arcos en el espacio de momento bidimensional. Estos llamados arcos de Fermi conectan puntos del espectro de electrones que pertenecen a diferentes conos de Weyl. A diferencia de los fermiones de Weyl, Los electrones ordinarios se caracterizan por curvas de Fermi cerradas en forma de círculo. Hasta ahora, Todas las descripciones teóricas de los arcos de Fermi se han basado en complicados y oscuros cálculos por computadora basados ​​en primeros principios.

Los científicos de MIPT aprovecharon el hecho de que los fermiones de Weyl ubicados lejos de la superficie del cristal obedecen a las ecuaciones diferenciales de Weyl para derivar las condiciones de contorno que explican con éxito las interacciones de intervalo en la superficie semimetálica. Resolvieron el sistema de ecuaciones de Weyl para dos valles "a mano, "teniendo en cuenta las condiciones de contorno derivadas, encontrando así analíticamente la forma de los arcos de Fermi. En efecto, ofrecieron una descripción tanto cuantitativa como cualitativa de datos experimentales, y demostró que la formación del arco de Fermi es impulsada principalmente por una fuerte interacción de intervalo bajo la dispersión de fermiones de Weyl en la superficie del cristal.

Es concebible que los semimetales de Weyl puedan permitir una electrónica ultrarrápida. Los investigadores teóricos están investigando los principios que sientan las bases para los dispositivos electrónicos de próxima generación basados ​​en semimetales de Weyl. Este enfoque analítico es una forma relativamente fácil de explicar la influencia de los campos eléctricos y magnéticos en los fermiones de Weyl. El potencial heurístico de este enfoque podría facilitar enormemente el progreso hacia una electrónica más rápida y eficiente.